[论文解读] Ignition Behind Decaying Shock Waves : Detonation Cells

Kevin Cheevers, Matei I. Radulescu|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Combustion and Detonation Processes被引用 7

一句话总结

本研究基于衰减激波的零维点火模型，利用激波变化方程将激波特性的动态变化（速度、曲率、衰减）与体积膨胀及点火延迟联系起来。研究发现，在规则的H₂-O₂-Ar爆轰中，约50%的气体粒子在穿过前导激波时因非定常激波特性的存在而熄灭，这挑战了宏观模型中关于前导激波自点火的假设，凸显了横向激波和湍流混合等二次点火机制的必要性。

ABSTRACT

We first address the problem of initiation behind decaying shock waves analytically and numerically. The ignition along a particle path crossing the shock is analysed in terms of its volumetric expansion, evaluated as a function of the shock strength, decay rate, and curvature using the shock change equations. Closed form solutions are derived for 1-step and 2-step chemistry models. The analytical results are found in excellent agreement with numerical simulations using a detailed thermo-chemical model. The newly developed model is used to study the ignition behind the lead shock in detonation cells. New experiments are reported for cellular dynamics in a very regular H$_2$-O$_2$-Ar system. It is found that the ignition of approximately half of the gases crossing the shock is quenched. In the experiments, this gas reacts behind the transverse waves. Previous experiments in a very irregular system of methane-oxygen are also analysed. In these experiments, more than 70\% of the gases crossing the shock are quenched due to shock non-steadiness. These gases are shed as non-reacted pockets, which react much slower and burn out due to turbulent diffusion. The main conclusion of the study is that both irregular and regular cellular detonations experience ignition quenching due to shock non-steadiness.

研究动机与目标

• 使用分析与数值方法，对爆轰细胞中衰减激波后的点火延迟进行建模。
• 研究激波非定常性（衰减、曲率、加速）在规则与非规则爆轰结构中导致点火熄灭的作用。
• 通过详细动力学数据验证简化的一步与两步化学模型，以预测在大体积膨胀条件下的点火延迟。
• 利用新实验与激波动力学重构，量化真实爆轰细胞中的点火熄灭程度。
• 提出一个广义的点火熄灭准则，涵盖激波衰减与曲率效应，扩展先前的研究工作。

提出的方法

• 基于随时间变化的体积膨胀，利用一步与两步化学动力学模型推导出点火延迟的闭式解。
• 应用激波变化方程，根据粒子穿越激波时刻的激波速度、衰减速率与曲率，计算拉格朗日粒子的体积膨胀速率。
• 将守恒方程与所推导的膨胀速率作为强迫项进行积分，以预测激波后的温度与点火时间。
• 通过与详细热化学模拟对比，验证简化模型，结果表现出极佳的一致性。
• 在H₂-O₂-Ar（χ=4.7）与CH₄-O₂（χ=11,000）中开展激波管实验，并结合肖像法可视化，重构激波特性和测量激波后燃烧行为。
• 基于沿粒子轨迹测得的激波速度与曲率，重构整个爆轰细胞的动力学过程，以确定点火延迟与熄灭情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 激波非定常性（衰减与曲率）在多大程度上导致爆轰细胞中的点火熄灭？
• RQ2 在衰减激波后大且随时间变化的体积膨胀条件下，一步与两步化学模型在预测点火延迟方面的准确性如何？
• RQ3 在规则爆轰（H₂-O₂-Ar）中，穿越前导激波的气体粒子中，有多少比例因激波非定常性而被熄灭？
• RQ4 在弱不稳定性（H₂-O₂-Ar）与高度不稳定性（CH₄-O₂）混合物中，熄灭行为有何差异？
• RQ5 能否推导出一个广义的点火熄灭准则，使其包含超越先前模型的激波衰减与曲率效应？

主要发现

• 在规则的H₂-O₂-Ar爆轰中，尽管混合物敏感性较低（χ=4.7），约50%的气体粒子在穿越前导激波时因激波非定常性而被熄灭。
• 在高度不稳定的CH₄-O₂混合物中，超过70%的粒子穿越激波后被熄灭，形成非反应性区域，随后通过湍流扩散缓慢燃烧。
• 本研究发现，在两种混合物的细胞周期前半段，前导激波与激波后反应之间出现解耦现象，这一现象此前仅在高度不稳定的系统中被观测到。
• 所提出的点火熄灭准则综合考虑了激波衰减与曲率效应，推广了先前模型，展现出强大的预测能力。
• 简化的一步与两步模型与详细化学动力学模拟结果高度一致，验证了其在具有大形变的反应气体动力学模型中的适用性。
• 仅依赖前导激波自点火的全局模型是不充分的；必须显式建模二次点火机制（如横向激波、湍流混合）才能完整捕捉能量释放过程。